材料力學中實驗教學的幾點思考

摘要：材料力學作為高校中土木、機械、采礦等工科專業必不可少的專業基礎課，它的課堂教學方法一直是授課教師研究的重要課題，而大多數的研究只局限于理論的講授方式，忽略了實驗在力學教學中所起的作用。因此，針對這一現象，本文重點分析力學實驗的內容和方法，針對當前實驗教學存在的問題，提出幾點實驗教學改革的方法。好的實驗教學方式必會加深學生對理論知識的理解，增強實踐能力，達到理論與實踐相輔相成的目的，從而提高學生的綜合素質。

關鍵詞：材料力學實驗;教學方法;基礎實驗;實驗內容;改革

材料力學實驗是該課程教學中的重要環節，在解決工程設計的強度、剛度、穩定性等問題時，首先要知道材料的力學性能指標，這些指標通常靠材料力學實驗獲得;同時較抽象的理論也可以通過實驗變得更具象，讓同學們更易理解和接受;再者好的實驗課程是可以培養學生的思維方式和創新能力的。所以說材料力學實驗是實踐性教學和啟發性教學中必不可少的組成部分，是所有從事力學教學的高校教師必須重視的環節，因此有必要對材料力學中的實驗教學方法進行研究和探討，以期獲得更有效的教學方式。首先需要對材料力學實驗的內容有更深的認識。

1材料力學實驗基本內容

1.1測定材料力學性能的實驗

材料力學公式只能算出桿件在載荷作用下應力的大小。為了建立其相應的強度條件、剛度條件、穩定性條件，則必須通過拉伸、壓縮、扭轉、沖擊、疲勞等實驗來測定材料的屈服極限、強度極限、彈性模量和持久極限等力學性能。這些材料的力學性能是設計構件時所不可缺少的基本參數和依據。

1.2驗證理論的實驗

將實際問題抽象為理想的模型（如桿的拉伸、壓縮、彎曲等），再根據科學的假設（如平面假設、材料均勻連續性和各向同性假設等）導出一般性公式，這是研究材料力學的基本方法，但是這些簡化與假設是否正確，理論公式是否能在假設中應用，都需要通過實驗來驗證。此外，對于一些近似解答，其精確度也必須通過實驗檢驗后才能在工程設計中使用。

1.3實驗應力分析

在工程實踐中，很多構件的形狀和受載情況比較復雜，單純依靠理論計算不能解決或難以解決其內部應力大小和分布的情況，因而近幾十年來發展了實驗應力分析，即用實驗方法解決應力分析問題。其內容包括：電測法、光測法、脆性涂層法、云紋法、聲彈法等。目前實驗應力分析的方法很多，材料力學實驗中介紹應用較廣的電測法實驗。

隨著科技的進步和實驗設備的更新換代，材料力學實驗的內容也變得越來越豐富，在完成拉壓、扭轉、彎曲等基本實驗內容后，可結合工程實際增設組合變形等綜合實驗，以及采用新型測試方法進行一些創新型實驗。實驗內容的豐富和創新可以極大程度地激發學生的學習興趣和積極性，更利于提高學習效果。

2材料力學實驗教學中的不足

目前材料力學實驗課程主要存在以下幾個問題：（1）因學時限制造成實驗內容過于簡單和單調，尤其缺少綜合性實驗和帶有一定設計性的實驗，而且只是作為理論教學的輔助手段并不能充分激發學生做實驗的積極性;（2）實驗設備嚴重缺乏，分組實驗時人數過多，使很多學生只能“看”實驗而不能動手參與;（3）實驗教學方式還比較傳統，沒有很好的使用多媒體等現代化的技術手段;（4）在教學過程中，采用灌輸式的授課方法，忽視了學生的主體地位，不利于學生自主能力的培養。因此，必須對材料力學實驗教學進行全面深入地改革，在現有資源條件下，調動學生自主學習的積極性，培養他們發現問題、分析問題和解決問題的能力，以適應高校應用與創新型人才培養的要求。

3材料力學實驗教學改革

3.1實驗教學向傳授實驗思想和實驗方法轉變

傳統的實驗教學都是教師向學生講解實驗原理，告知實驗步驟，學生按部就班完成實驗，這種灌輸式的教學方法不能有效的激發學生的主動性，嚴重限制了學生獨立思考和自主創新的能力，所以我們要向啟發式教學轉變，只向學生講授實驗原理和采用的方法，具體實驗方案及步驟可由學生獨立思考、自主設計，這將極大增強學生的創新意識，提高綜合能力。

3.2增加綜合性和設計性實驗

傳統的實驗教學過于偏重基礎實驗，與學科發展前沿聯系不緊密，也不利于學生自主創新能力的培養，因此要對實驗教學內容進行改革，增加綜合性和設計性實驗。通過對實驗內容的調整和整合，不僅要使學生更加透徹的掌握書本上的理論，更要提高學生的綜合能力和創新能力。但在追求實驗的綜合性和設計性的同時，也不能忽視實驗內容與學生認知結構的關系，否則將忽略學生的主體作用，與培養應用型人才的目標背道而馳。

3.3嚴控實驗小組人數，做到合理化分工

材料力學實驗課鑒于實驗設備等實驗條件的限制，大多實行分組實驗，這就難免造成個別同學渾水摸魚，抄襲實驗報告的現象，如果組內人數過多，真正動手參與實驗的只能有少數幾人，這也不利于培養學生的動手能力。但若一組人數過少，可能會增加實驗時間，實驗的各個環節人手不夠。所以合理分配小組人數是教師要仔細考慮的問題，爭取做到每人負責實驗的一個環節，讓大家都能真正的動起手來，認識到互相協作的重要性。

3.4引入虛擬實驗體系，增加有限元分析

在實驗教學中普遍存在的現象是設備和人員不足，為了不影響教學效果，可將力學虛擬實驗系統引入實驗教學，該系統不僅能仿真實驗結果，而且能仿真實驗設備和操作過程。操作者除了用鼠標代替手進行實驗操作外，整個實驗過程與真實實驗沒有區別。同時，隨著有限元軟件的發展，也可以讓學生將力學實驗的內容在計算機上進行有限元分析，數值模擬的結果與實驗數據和理論解進行對比分析，使學生盡早掌握科研的三種手段（理論分析、數值計算、實驗），并能在以后的工作和學習中融會貫通，為社會培養高素質的應用型人才。

3.5實驗內容要注重與后續課程的連續性

料力學實驗內容可以根據學生專業進行調整，例如對土建專業學生來說薄壁結構的扭轉和彎曲是比較重要的，而機械專業的學生更加重視軸的扭轉，這些結構的精確計算需要用到彈性力學的知識，同時在實驗內容中可以加入微觀缺陷的萌生和演化，這涉及后續的斷裂力學和損傷力學，這樣材料力學實驗將不再是單一的基礎力學實驗，也將成為后續課程之間銜接的橋梁。

材料力學實驗不僅具有傳授材料力學知識為驗證力學理論服務的作用，更為重要的是肩負著全面培養掌握科學實驗的基本技能、基本方法和獨立進行實驗解決、分析工程實際問題的綜合能力。實驗教學方法的靈活使用和教學手段的先進性是一堂好的實驗課的重要標志。為提高材料力學實驗的教學質量，培養出高素質、強能力的新型人才，就必須對實驗教學方法及教學手段等進行改革與創新。

參考文獻：

[1]姚勝衛，倪維宇。材料力學實驗教學方法的研究與創新，教育教學論壇，2019.4（15）

[2]楊創戰，劉杰。材料力學實驗教學改革的探索與實踐，電力教育，2014（24）

[3]陳紅兵，鄭應彬。材料力學實驗教學改革探討，實驗科學與技術，2014.12（6）

基金項目：

省級教學研究項目（2019jyxm0175）;

精品線下開放課程（2019kfkc050）。

作者簡介：趙麗霞（1980—），吉林磐石人，碩士研究生，講師，主要研究方向為動態斷裂力學。